不同鍍層系統於熱衝壓鋼材的應用

接續前一節所提到，鋼材在沃斯田體處理產生的鐵鏽會影響材料與模具間的 熱傳導，同時也會改變鋼材表面的摩擦性質並黏著於模具表面，造成熱衝壓模具 的損耗，而後續的噴砂或是噴丸處理（Shot Blasting or Shot Peening）會造成尺寸 精度的下降以及成本的提高。因此，不同的鍍層系統被發展解決鋼材表面氧化以 及脫碳的問題、同時應用於提升熱衝壓件的抗蝕性[6]。

根據De Cooman 等人於 2012 年所發表的文獻[6]，目前主要應用的鍍層系統 可以分為以下幾類：

 鋁鍍層(Aluminized Coating)

主流的熱浸鍍鋁鍍層為鋁矽合金鍍層，其含有接近共晶成分7-11wt%的矽。

圖 2- 2 鋁矽鍍層在 930℃持溫 5 分鐘的 SEM 橫截面結果：(a)在大氣環境下升 溫速率為10℃s^-1，(b)在真空升溫速率為 30℃s^-1[6]

經高溫處理後，鍍層最表面會生成一層氧化鋁層，該緻密的氧化層作為外部 的障蔽層可以有效防止鍍層進一步氧化。同時，也可以增加鍍層在室溫的抗蝕性。

鋁矽鍍層的分層結構在許多文獻中都有探討[11][14]。如圖 2- 2 所示，不同的升 溫速率會影響鍍層的分層結構以及Fe2SiAl2相的形貌。較低的升溫速率可以促進 矽元素均勻分布並且幫助層狀Fe2SiAl2相的生成。分層結構中上部的FeAl2層以 及 Fe2SiAl2層對於後續電阻點焊(Resistance Spot Welding)有正面的幫助[11]，但 由於分層結構需在升溫速率較慢的情形下獲得，故會降低製程的效率。

由圖 2- 2 我們可以發現，由於脆性介金屬相以及底材間熱膨脹係數的不同，

鍍層在冷卻的過程會生成裂縫。而因為鋁矽鍍層不具有犧牲陽極保護效果，文獻 指出熱衝壓鋼材材在裂縫處會對於腐蝕更加敏感[15]。因此，鍍層脆裂是鋁矽鍍 層應用上一個相當嚴重的問題。

另一方面，由於熱衝壓製程溫度遠高於鋁矽鍍層的熔點，在沃斯田體化的過 程中，鋁矽鍍層融化後液態相會附著於熔爐設備且造成模具的損耗[16]。而熔融 的鍍層會與底材反應生成固態的脆性介金屬相而減少鍍層的成形性。

磷酸鹽處理為將熱衝壓後的鋼材浸泡於磷酸鋅的化學溶液中，在表面生成一 層磷酸鹽皮膜。磷酸鹽皮膜可以鈍化鋼材，且因其粗糙度較大，有利於後續的塗

裝塗層附著性。而根據文獻討論發現沃斯田體化處理後的鋁矽鍍層對磷酸鹽化成 液不具有反應性，故表面沒有磷酸鹽皮膜生成。然而，熱處理後的粗糙表面可以 提供後續塗裝塗層一定的附著性，因此鋁矽鍍層可以未經磷酸鹽處理而直接進行 塗裝[13]。

 鋅以及合金化鋅鍍層(Galvanized and Galvannealed Coating)

鋅鍍層廣泛應用於冷軋鋼捲產品上，其具有金屬色澤表面、良好的成形性、

極佳的障蔽以及犧牲陽極保護(Sacrificial Anode Protection)效果。目前也應用於熱 衝壓製程上，由於本研究主要討論熱浸鍍鋅鋼材在熱衝壓製程上的抗高溫鍍層，

 混合鍍層(Hybrid Coating)

混合鍍層為一包含無機以及有機材料的鍍層，其製程為利用液態噴漆(Liquid Paint Spray)的方式在表面生成具有保護力的鍍層。塗料為利用有機矽烷前驅物以 溶膠凝膠法(Sol-Gel Reaction)合成。目前的混合鍍層為有機物母體以及無機物粒 子所構成，其包含鎂及鋁粒子、石墨以及蠟質。石墨可以改善熱衝壓成形時的磨 耗特性而蠟質則是作為間接熱衝壓製程中冷衝壓預成形的潤滑劑。鎂金屬的添加 可以提高熱衝壓製程後鍍層的犧牲陽極保護效果，而鍍層中的鋁可以降低鍍層的 電阻值、改善後續點焊性質。據文獻分析，在經過後續磷酸鹽處理後，混合鍍層 具有極佳的塗裝性。

由於鋁及鎂金屬具有較低的熔點，因此在熱衝壓製程的高溫處理時，其會熔 化並附著於模具上造成問題。而在加熱過程中，鋁元素會與底材反應生成鐵鋁相，

其可以改善鍍層的導電性但同時也會生成脆性的介金屬相[18]。

圖 2- 3 為不同鍍層系統間的比較，簡單總結：對於熱衝壓製程而言，表面 鍍層須能提供足夠的抗高溫氧化能力、合適的成形性、良好的障蔽以及犧牲陽極 保護效果以及可接受的塗裝性和焊接性，另外，鍍層製程須易執行且具有經濟效 益才能符合車廠需求。

圖 2- 3 不同鍍層系統在熱衝壓製程應用之比較[6]